文章來源：國家電網(wang)有(you)限公司 發布時間：2022-03-22
我國風(feng)能、太陽(yang)能資源豐富，但(dan)它們(men)卻像草(cao)原(yuan)上的野馬，性情不定，難以(yi)馴服。
如何(he)馴服風光能(neng)源這匹(pi)野馬，讓風光綠(lv)能(neng)大(da)顯身手，從能(neng)源舞(wu)臺的(de)配角(jiao)變(bian)為主角(jiao)，成為保障(zhang)國家(jia)經濟社會健康(kang)發(fa)展(zhan)(zhan)的(de)強(qiang)大(da)支(zhi)撐，這是立足(zu)新(xin)發(fa)展(zhan)(zhan)階段，貫(guan)徹新(xin)發(fa)展(zhan)(zhan)理念(nian)，構(gou)建(jian)新(xin)發(fa)展(zhan)(zhan)格(ge)局面臨的(de)一個重大(da)戰略問(wen)題。
有(you)這樣一(yi)個(ge)團隊，短短幾年時間(jian)，他(ta)們突破(po)一(yi)個(ge)個(ge)世(shi)界(jie)級難題(ti)，創造一(yi)項(xiang)項(xiang)世(shi)界(jie)第(di)一(yi)。在他(ta)們的努力下，特(te)高壓直流輸電(dian)成為(wei)國家戰略(lve)級技術，和高鐵(tie)、北斗一(yi)樣，成為(wei)享譽世(shi)界(jie)的“中國名片”。
他(ta)們，是國(guo)家電網經研院直流技(ji)術攻關團隊，他(ta)們，被稱(cheng)作馴服風光野(ye)馬的“追(zhui)風人”。
攻下一個個世界難題，徹底擺脫“洋拐棍”
綠色、低碳是(shi)中國能源(yuan)的(de)發展方(fang)向，而服(fu)務新能源(yuan)大(da)規模(mo)開(kai)發利用，正(zheng)是(shi)柔性直流輸電技術(shu)的(de)優(you)勢所(suo)在。
國網(wang)經(jing)研院作為(wei)國家電網(wang)的(de)技術支撐單位，多(duo)年前就(jiu)意識到柔性(xing)(xing)直(zhi)流(liu)輸電對新能源匯集(ji)送出的(de)重要性(xing)(xing)。為(wei)了(le)馴服風能、太陽能，2012年他們便開展(zhan)了(le)大量基礎性(xing)(xing)研究。
當時(shi)我(wo)(wo)國在柔(rou)性(xing)直流輸電技(ji)(ji)術(shu)方(fang)面(mian)沒(mei)有任(ren)何(he)經驗，國外相(xiang)關核心(xin)技(ji)(ji)術(shu)又嚴加封(feng)鎖。“在接(jie)到項(xiang)目任(ren)務(wu)時(shi)，攻關團隊每個(ge)人(ren)心(xin)中都惴(zhui)惴(zhui)不安(an)，完全(quan)沒(mei)有成功的(de)把握，有的(de)同志提(ti)出以市(shi)場換(huan)技(ji)(ji)術(shu)的(de)方(fang)式(shi)找外方(fang)搞技(ji)(ji)術(shu)引進(jin)，但幾次接(jie)觸(chu)下(xia)來，技(ji)(ji)術(shu)轉讓條件(jian)苛刻，我(wo)(wo)們根(gen)本無(wu)法接(jie)受。”國網經研院直流技(ji)(ji)術(shu)中心(xin)主(zhu)任(ren)樂波(bo)坦言(yan)。
這支攻關(guan)團隊太(tai)年(nian)輕了(le)(le)，剛(gang)組建時平(ping)均年(nian)齡還不到30歲。帶著(zhu)一股開拓創新、永不服輸的(de)拼(pin)勁(jing)，他們開始了(le)(le)披(pi)荊斬(zhan)棘的(de)闖關(guan)之(zhi)旅。
柔(rou)性(xing)直(zhi)流系(xi)統設計的(de)第一步是確定主接線，這(zhe)是系(xi)統設計的(de)“綱”和“領”：確定系(xi)統采用(yong)哪些主要設備(bei)，這(zhe)些設備(bei)怎么布置、怎么配合，如同家里裝修要先畫好電路圖，確定開關、插座、照明等的(de)位置，才能(neng)保證所有電器的(de)用(yong)電安(an)全(quan)和正常工作。
舟山工程(cheng)(cheng)是國家電網第一個(ge)商(shang)業化的柔(rou)性直(zhi)流(liu)工程(cheng)(cheng)，也是世界首(shou)個(ge)五端柔(rou)性直(zhi)流(liu)工程(cheng)(cheng)，主(zhu)接線(xian)要比國外的兩(liang)端工程(cheng)(cheng)復雜得多。整個(ge)工程(cheng)(cheng)要用的設備(bei)有上(shang)百種(zhong)，每種(zhong)設備(bei)又有多種(zhong)型式(shi)，排列組(zu)合(he)起來就有上(shang)千種(zhong)，許多設備(bei)連(lian)見都(dou)沒見過(guo)，更別(bie)說熟練使用和布置。
接到任務后，團隊迅速分(fen)工，有的(de)(de)(de)(de)總結以前常規工程的(de)(de)(de)(de)設計經(jing)驗，有的(de)(de)(de)(de)研究新(xin)設備的(de)(de)(de)(de)功能和特點(dian)，有的(de)(de)(de)(de)開展(zhan)理(li)論分(fen)析(xi)，有的(de)(de)(de)(de)搭(da)建仿真模(mo)型。他們曾提出幾十種方案，但(dan)經(jing)過反復(fu)仿真分(fen)析(xi)，都滿足不了五端直流安全穩定(ding)運行的(de)(de)(de)(de)要求。
只好全部推倒，從頭再來。
經過(guo)數月的閉(bi)關修煉，世界首個五端柔性直流工程主(zhu)接(jie)線終于完(wan)成，徹底(di)打破未來可能的外(wai)方(fang)知(zhi)識(shi)產權(quan)限制(zhi)，完(wan)全做到自主(zhu)化(hua)設計(ji)。
舟山工(gong)程后，他們又(you)攻(gong)下供(gong)電可靠性要(yao)求更高(gao)的廈門(men)工(gong)程。“現在，外方為了提(ti)高(gao)工(gong)程可靠性，反而模仿起(qi)中國方案，我(wo)們的身份也實現了從學生(sheng)到老師的華麗(li)轉變。”樂波說。
在沒有任何資料可供(gong)借鑒的(de)情況下(xia)，攻(gong)關團隊拿(na)下(xia)了(le)一個又一個世界難題，實現(xian)多項技(ji)術(shu)(shu)“零”的(de)突(tu)破，形成(cheng)一套完(wan)整(zheng)的(de)柔性(xing)(xing)直流輸電成(cheng)套設計體系(xi)，徹底(di)擺脫了(le)“洋拐棍”，實現(xian)了(le)柔性(xing)(xing)直流輸電技(ji)術(shu)(shu)領域的(de)“彎(wan)道超(chao)車”和“中(zhong)國引領”。
不設權威 自由發揮 鼓勵原創，創造12項世界第一
2020年6月29日(ri)，張(zhang)北柔性直流電(dian)(dian)網工(gong)(gong)程竣工(gong)(gong)投產，來自草原的(de)(de)(de)綠色動(dong)能(neng)點亮了京城的(de)(de)(de)萬家燈火。張(zhang)北工(gong)(gong)程不僅能(neng)夠(gou)滿足冬奧(ao)會(hui)的(de)(de)(de)100%清潔供電(dian)(dian)需(xu)求，還將每年向北京輸送225億度清潔電(dian)(dian)力，相當于北京年用電(dian)(dian)量的(de)(de)(de)十分之一。
“柔(rou)性直流電(dian)(dian)網(wang)技術可(ke)(ke)以(yi)控(kong)制電(dian)(dian)能(neng)靈(ling)活(huo)轉向，適應新(xin)能(neng)源的波(bo)(bo)動，是目前世(shi)界(jie)上最(zui)先進的輸電(dian)(dian)技術。”樂(le)波(bo)(bo)說，張北工程(cheng)采用(yong)我國原創、世(shi)界(jie)領(ling)先的柔(rou)性直流電(dian)(dian)網(wang)新(xin)技術，把過去不(bu)可(ke)(ke)控(kong)的風能(neng)變為可(ke)(ke)控(kong)優質(zhi)電(dian)(dian)能(neng)。“工程(cheng)創造了12項世(shi)界(jie)第(di)一，提出了破解新(xin)能(neng)源大規(gui)模開(kai)發利用(yong)世(shi)界(jie)級難題的中國方案。”
12項沉甸甸的世界第(di)一，凝聚(ju)著科研人員克服重(zhong)重(zhong)困難、戰(zhan)勝層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)挑戰(zhan)所(suo)付(fu)出的艱辛和努力。
靈活可靠消(xiao)納新(xin)能源，首(shou)先碰到的(de)難(nan)題是要研制(zhi)確保電網安(an)全(quan)的(de)新(xin)設備、新(xin)技術。“直流電網設計的(de)難(nan)點在于(yu)要應對不經常發(fa)生的(de)嚴重故障，解(jie)決這個問題，就必(bi)須找(zhao)到能確保電網安(an)全(quan)的(de)速效救心丸。”團隊技術骨干(gan)李探博(bo)士說。
李探(tan)一(yi)畢(bi)業，就和團隊一(yi)頭(tou)扎入柔性直流(liu)電網的(de)資料(liao)堆，從查公(gong)式、編程(cheng)序開始，一(yi)晃(huang)就是5年(nian)。研(yan)發之初，由于相(xiang)關技術在世界范圍內都處于完全(quan)空白狀態，沒有任何經驗可供借鑒(jian)，團隊只(zhi)能(neng)從零開始。然而正是這張白紙，給年(nian)輕的(de)科研(yan)人員(yuan)們(men)提供了從理(li)論到實(shi)踐的(de)廣闊舞(wu)臺。
不設(she)權威(wei)、自(zi)由發揮、鼓勵原創(chuang)是(shi)團(tuan)隊組建(jian)時確(que)定(ding)的(de)工作原則(ze)。從(cong)“半(ban)橋(qiao)式(shi)換(huan)流(liu)(liu)(liu)閥+直流(liu)(liu)(liu)斷路器”到(dao)“全橋(qiao)式(shi)換(huan)流(liu)(liu)(liu)閥”，他(ta)們(men)大膽假設(she)、小心求(qiu)證(zheng)，從(cong)“交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)(liu)耗(hao)能裝置”到(dao)“直流(liu)(liu)(liu)耗(hao)能裝置”，他(ta)們(men)嚴謹細致、一絲(si)不茍。經歷(li)了數月(yue)“白加黑(hei)”“5+2”的(de)鏖戰，終于實現了“首臺套”直流(liu)(liu)(liu)斷路器和交(jiao)(jiao)流(liu)(liu)(liu)耗(hao)能裝置的(de)重大技術突(tu)破。
張北(bei)工程(cheng)的聯調試驗需(xu)要(yao)依賴于新能源和柔性(xing)直(zhi)流電網(wang)的真(zhen)實模(mo)(mo)型，這兩(liang)個高度復雜的系統，單獨拿(na)出來(lai)進(jin)行(xing)建模(mo)(mo)已經困難重重，進(jin)行(xing)聯合測試更是(shi)從未有過先例。
400多面控制(zhi)屏柜(ju)，通過上萬根線纜連接起(qi)來，將新(xin)能源和四座換流站組合在一(yi)起(qi)，建立起(qi)反映電網(wang)真(zhen)實特性的超大規模仿真(zhen)系統。僅啟(qi)動一(yi)次，就要花(hua)費(fei)數小時。
“這(zhe)只(zhi)是邁出(chu)了平臺(tai)構建的第一步(bu)。”實驗室負(fu)責人(ren)厲璇介紹，“在資源條件(jian)有限的情況下，還要準確刻畫復雜系(xi)統的快(kuai)速變(bian)化特性(xing)，這(zhe)是更(geng)加關鍵的一步(bu)。”
幾十個(ge)新能(neng)源場站(zhan)，四端柔(rou)性(xing)直流電(dian)網，包含了(le)數十萬元件，上萬根(gen)光(guang)纖，對系統(tong)的實時運算(suan)能(neng)力提(ti)出(chu)了(le)嚴峻挑戰。為了(le)實現實時運算(suan)，如此龐大的系統(tong)在(zai)每個(ge)毫(hao)秒都要進(jin)行幾十億次(ci)仿真計算(suan)，這(zhe)儼然是一個(ge)超(chao)級(ji)計算(suan)系統(tong)，超(chao)算(suan)能(neng)力對系統(tong)配(pei)置提(ti)出(chu)了(le)不(bu)可(ke)能(neng)達(da)到的要求。
為(wei)了實現實時運算目標，必須另辟蹊徑。“將系統和元件進行(xing)有效簡化(hua)后，我們(men)所提出的(de)(de)多項等(deng)值技術將仿真速度提升了近60%，完全(quan)達到工程精度。”厲璇說(shuo)。在對模型進行(xing)逐步等(deng)值的(de)(de)過程中，科研人員們(men)經歷(li)了種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)坎坷和失(shi)敗，一個(ge)錯(cuo)誤的(de)(de)脈沖信號，一個(ge)程序(xu)的(de)(de)細微(wei)漏洞，一個(ge)設置不(bu)合理的(de)(de)參(can)數，都(dou)容易導(dao)致系統報錯(cuo)或失(shi)穩奔潰。
一遍(bian)(bian)又一遍(bian)(bian)的檢查(cha)設(she)備，一次又一次的核(he)對接(jie)線是(shi)團隊每天的日常工(gong)作(zuo)，一條通道調試(shi)不通就(jiu)從頭(tou)再(zai)來。
在(zai)團隊齊心(xin)協力(li)下(xia)，終于建立起世界首(shou)個大規模新(xin)能(neng)源(yuan)柔(rou)直并網硬件在(zai)環實(shi)時(shi)仿(fang)真試驗系統。
跨越千里，電力天路從規劃變成現實
青海(hai)是我(wo)國清(qing)潔能源(yuan)最豐富(fu)的省(sheng)份(fen)之一，新能源(yuan)發(fa)電(dian)量已經超過青海(hai)省(sheng)全省(sheng)用(yong)電(dian)負荷(he)，亟(ji)需(xu)將大量富(fu)余(yu)的清(qing)潔電(dian)力送到上千(qian)公(gong)里之外的中東(dong)部負荷(he)中心，變資源(yuan)優(you)勢為經濟優(you)勢。
特高(gao)(gao)壓(ya)(ya)直(zhi)流技(ji)(ji)術成(cheng)(cheng)熟、成(cheng)(cheng)本較低，在大(da)容(rong)量(liang)遠距(ju)離(li)電能(neng)輸送方面具有獨特優勢。因此(ci)，青海的新(xin)能(neng)源必(bi)須通過特高(gao)(gao)壓(ya)(ya)直(zhi)流技(ji)(ji)術進行遠距(ju)離(li)大(da)規(gui)模消納。然而，傳統特高(gao)(gao)壓(ya)(ya)直(zhi)流猶如高(gao)(gao)速列車，運(yun)載量(liang)大(da)、一(yi)站直(zhi)達(da)，而始發站的太陽能(neng)、風能(neng)等(deng)清(qing)潔能(neng)源就像自(zi)由(you)出(chu)行的游客，何時(shi)出(chu)行、多少人出(chu)行均具有隨(sui)機性。因此(ci)，對傳統特高(gao)(gao)壓(ya)(ya)技(ji)(ji)術升(sheng)級改造才能(neng)更(geng)好(hao)實現對新(xin)能(neng)源的高(gao)(gao)效送出(chu)。
“能否將匯集新能源的(de)(de)系(xi)統(tong)電壓控制穩(wen)定是工(gong)程設計(ji)的(de)(de)關鍵點。”項目負責人盧亞(ya)軍(jun)向記(ji)者介紹。多(duo)年來(lai)，國網經研(yan)院直(zhi)流(liu)技術攻關團隊(dui)提出的(de)(de)“升級版(ban)”特(te)(te)高壓技術，涵蓋了多(duo)項穩(wen)定系(xi)統(tong)電壓的(de)(de)獨(du)門(men)絕技，這(zhe)些(xie)措施在(zai)專門(men)輸(shu)送(song)新能源的(de)(de)青海—河(he)南（青豫）±800千伏特(te)(te)高壓直(zhi)流(liu)工(gong)程中得(de)到(dao)成功應用，實現(xian)了成果(guo)轉化(hua)，極大提升了特(te)(te)高壓直(zhi)流(liu)對(dui)新能源送(song)出的(de)(de)適(shi)應性。
換(huan)流(liu)站連接著縱橫千里的(de)直流(liu)輸電線路，仿佛人體的(de)心臟，是直流(liu)輸電工程最重要(yao)的(de)能源(yuan)轉換(huan)樞(shu)紐，交(jiao)流(liu)和直流(liu)的(de)變(bian)換(huan)就在這里完成(cheng)。青海換(huan)流(liu)站海拔(ba)達2900米，是世(shi)界(jie)上海拔(ba)最高(gao)的(de)特高(gao)壓換(huan)流(liu)站，空(kong)氣稀薄，設(she)備也會缺(que)氧，耐受(shou)高(gao)電壓的(de)能力大幅下降。
“我們(men)對直(zhi)流系統(tong)的(de)(de)過電(dian)壓水平進行了(le)上(shang)百(bai)次(ci)迭代(dai)仿真校(xiao)核，優化了(le)高海拔下均壓電(dian)極設計(ji)，有(you)效(xiao)縮短了(le)設備(bei)間的(de)(de)空氣間隙，確保設備(bei)運行萬無(wu)一(yi)失，根本上(shang)消除了(le)設備(bei)的(de)(de)高原反應，保證(zheng)了(le)高原換流站的(de)(de)運行性(xing)能與(yu)平原保持一(yi)致。”盧亞軍說。
考驗接踵而來。
由于風光能源不穩(wen)定，功(gong)率波(bo)動大，電網(wang)對變壓(ya)器的電壓(ya)調(diao)節能力要求較以往(wang)工程更高(gao)。分接(jie)開關是變壓(ya)器執行電壓(ya)調(diao)節功(gong)能的最核心裝備，其設計一(yi)直是制約國產(chan)化(hua)的“卡脖(bo)子”技術難題(ti)。如何提(ti)高(gao)分接(jie)開關的運行可靠性，是擺(bai)在團(tuan)隊面前必須解決的一(yi)道(dao)難題(ti)。
科研團隊(dui)深入研究了各(ge)種(zhong)技術措施可能性(xing)，提出了幾十種(zhong)技術方(fang)案(an)(an)，推導(dao)了上百頁分析算稿，經(jing)過反復(fu)研究論證仿真，確定了通過有(you)效降低分接(jie)開關(guan)動作次數提高(gao)系統(tong)可靠性(xing)的技術方(fang)案(an)(an)，最終實現(xian)分接(jie)開關(guan)動作次數減少90%，顯著提高(gao)了設備使用(yong)壽命，保障(zhang)了工程(cheng)的順利投運和安全運行。同(tong)時，研究成果也在(zai)所有(you)已投運的特高(gao)壓(ya)工程(cheng)中推廣應(ying)用(yong)。
2020年12月(yue)30日(ri)，青(qing)豫(yu)工程正式投入商業運行，來自青(qing)藏高原的可(ke)再生能源跨越千里，點亮中(zhong)原。
“電(dian)力天路在我們(men)手里從規劃變成現實，成為造福人民的幸福之(zhi)路、光明之(zhi)路和清潔之(zhi)路。”樂波(bo)說(shuo)。
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